JP2012233352A - 旋回式作業機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】旋回力行時の背圧を低減して油圧ポンプの動力損失を抑える。
【解決手段】旋回駆動源としての油圧モータ１１の両側管路１４，１５とタンクＴとの間に連通弁２５，２６を設け、旋回力行時に操作された側と反対側の連通弁２５または２６を開いてメータアウト側の管路をタンクＴに接続し、油圧モータ１１から吐出された油をコントロールバルブ１３を介さずに直接タンクＴに戻すことにより、コントロールバルブ１３の絞り作用による背圧を無くし、ポンプ圧を低下させる。また、減速時に旋回電動機２０の回生作用によりブレーキをかけて減速させるとともに、発生した電力を蓄電器３０に蓄電するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は ショベル等の旋回式作業機械に関するものである。
ショベルを例にとって背景技術を説明する。
ショベルは、図７に示すようにクローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が地面に対して鉛直な軸Ｘまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に掘削アタッチメント３が装着されて構成される。
掘削アタッチメント３は、起伏自在なブーム４と、このブーム４の先端に取付けられたアーム５と、このアーム５の先端に取付けられたバケット６、それにこれらを作動させるブーム、アーム、バケット各シリンダ（油圧シリンダ）７,８,９によって構成される。
上部旋回体２を旋回駆動する従来の旋回管路の構成を図８に示す。
図８において、１０は図示しないエンジンによって駆動される油圧源としての油圧ポンプ、１１はこの油圧ポンプ１０からの圧油により回転して上部旋回体２を旋回駆動する旋回用の油圧モータで、油圧ポンプ１０及びタンクＴとこの油圧モータ１１との間に、旋回操作手段としてのリモコン弁１２(１２ａは操作用のレバーである)によって操作される油圧パイロット式の切換弁であるコントロールバルブ１３が設けられている。
リモコン弁１２は、中立位置と左右の旋回位置との間で操作され、このリモコン弁１２からのパイロット圧によりコントロールバルブ１３が図示の中立位置イと左、右両旋回位置ロ，ハとの間で切換わり動作して油圧モータ１１に対する圧油の給排、すなわち、旋回の加速(起動を含む)、速度一定での定常運転、減速、停止の各状態、そして回転方向と回転速度が制御される。
一方、コントロールバルブ１３と油圧モータ１１とを結ぶモータ両側管路（図左側を左旋回管路、右側を右旋回管路という）１４,１５間には、一対のリリーフ弁１６,１７を互いの出口同士が接続された状態で対向配置したリリーフ弁回路１８と、一対のチェック弁１９,２０を互いの入口同士が接続された状態で対向配置したチェック弁回路２１とが並列状態で設けられている。
リリーフ弁、チェック弁両回路１８，２１は連通路２２によって接続されるとともに、この連通路２２が油吸い上げ用のメークアップライン２３によってタンクＴに接続されている。２４はメークアップライン２３に設けられた背圧弁である。
この構成において、リモコン弁１２が操作されないとき(レバー１２ａが中立のとき)はコントロールバルブ１３が図示の中立位置イにセットされ、リモコン弁操作時にコントロールバルブ１３が中立位置イから図左側の位置（左旋回位置）ロまたは右側の位置（右旋回位置）ハにリモコン弁操作量に応じたストロークで作動する。
コントロールバルブ１３の中立位置イでは、両旋回管路１４,１５がポンプ１０に対してブロックされるため、油圧モータ１１は回転しない。
この状態から、リモコン弁１２が左または右旋回側に操作されてコントロールバルブ１３が左旋回位置ロまたは右旋回位置ハに切換えられると、ポンプ１０から左旋回管路１４または右旋回管路１５に圧油が供給される。
これにより、油圧モータ１１が左または右に回転して旋回力行、すなわち起動を含む加速または定常運転状態となる。
この場合、油圧モータ１１から吐出された油はコントロールバルブ１３経由でタンクＴに戻る。
また、たとえば右旋回力行中、リモコン弁１２が減速操作(中立復帰、または中立側への戻し操作)されると、油圧モータ１１への圧油の供給及び油圧モータ１１からタンクＴへの油の戻りが停止し、または供給油量及び戻り油量が減少する。
ここで、油圧モータ１１は上部旋回体２の慣性によって右旋回を続けようとするため、メータアウト側である左旋回管路１４に圧力が立ち、これが一定値に達すると図左側のリリーフ弁１６が開いて左旋回管路１４の油が図６中破線矢印で示すように同リリーフ弁１６−連通路２２−図右側のチェック弁２０を通って右旋回管路（メータイン側管路）１５に入り、油圧モータ１１に流入する。
これにより、油圧モータ１１が慣性回転しながら上記リリーフ作用によるブレーキ力を受けるため、減速し停止する。左旋回からの減速／停止時もこれと同じである。
また、この減速中、旋回管路１４または１５が負圧傾向になると、メークアップライン２３、連通路２２、チェック弁回路２１のルートで旋回管路１４または１５にタンク油が吸い上げられてキャビテーションが防止される。
以上の構成はたとえば特許文献１に示されている。
また、特許文献１には、油圧モータ１１に電動機を接続し、旋回力行時にこの電動機を駆動して油圧モータ１１をアシストする一方、上記減速時に電動機に回生発電を行わせ、ブレーキ作用を助けるとともに発生した回生電力を蓄電器に充電する技術も開示されている。
特開２０１０−６５５１０号公報
上記公知技術によると、旋回力行時に、油圧モータ１１から吐出された油がコントロールバルブ１３を通ってタンクＴに戻るため、このコントロールバルブ１３での絞り作用によってモータ吐出側(メータアウト側)の管路、すなわち、右旋回時には左旋回管路１４、左旋回時には右旋回管路１５に背圧が立つ。
そして、この背圧によってモータ流入側(メータイン側)の圧力が上昇し、ポンプ圧が高くなってポンプ負荷が増加し、これが大きな動力損失となっていた。
そこで本発明は、旋回力行時の背圧を低減し、動力損失を抑えることができる旋回式作業機械を提供するものである。
上記課題を解決する手段として、本発明においては、下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体の旋回駆動源としての油圧モータと、この油圧モータの圧油供給源としての油圧ポンプと、旋回の加速、定常運転、減速、停止を指令する旋回操作手段と、この旋回操作手段の操作に基づいて上記油圧モータに対する圧油の給排を制御するコントロールバルブとを備えた旋回式作業機械において、上記油圧モータの両側管路とタンクとの間に連通弁を設け、旋回力行時に上記油圧モータの吐出側管路を、上記コントロールバルブを介さずに上記連通弁によって直接タンクに連通させるように構成したものである。
この構成によれば、旋回力行時(起動を含む加速時または定常運転時)に、油圧モータから吐出された油をコントロールバルブを介さずに連通弁によって直接タンクに戻すため、コントロールバルブでの絞り作用による背圧を無くすることができる。
すなわち、旋回力行時のメータアウト側に作用する背圧を低減し、これによりメータイン側の圧力を落としてポンプ圧を低下させることができるため、油圧ポンプの動力損失を抑えてエネルギーの無駄を省くことができる。
ここで、上記構成を前提として、上記油圧モータにより回転駆動される旋回電動機と、蓄電器と、上記旋回操作手段の操作を検出する操作検出手段と、上部旋回体の旋回速度を検出する速度検出手段と、上記連通弁を制御する制御手段とを設け、この制御手段は、上記操作、速度両検出手段の検出信号に基づいて減速時か否かを判断し、減速時に上記連通弁によるモータ吐出側管路とタンクの連通を維持したまま上記旋回電動機に発電機作用を行わせてブレーキ力を発揮させ、その回生電力を上記蓄電器に充電させるように構成することができる(請求項２)。
この構成によれば、とくにハイブリッドショベルのように蓄電器を備えた旋回式作業機械において、減速時に電動機に回生作用を行わせて旋回エネルギーを蓄電器電力として回生できるため、エネルギー効率を上げることができる。
また、請求項１の構成を前提として、上記油圧モータの両側管路にリリーフ弁を接続するとともに、上記旋回操作手段の操作を検出する操作検出手段と、上部旋回体の旋回速度を検出する速度検出手段と、上記連通弁を制御する制御手段とを設け、この制御手段は、上記操作、速度両検出手段の検出信号に基づいて減速時か否かを判断し、減速時に上記連通弁を閉じ、上記リリーフ弁によって油圧モータにブレーキをかけるように構成することができる(請求項３)。
この構成によれば、旋回電動機及び蓄電器を用いない旋回式作業機械において、減速時にリリーフ弁による油圧ブレーキをかけるため、設備が簡単でコストが安くてすみ、かつ、既存の機械に容易にアドオンできる。
一方、本発明において、請求項１〜３のいずれかの構成をとる場合に、上記油圧モータの両側管路別に連通弁を設けてもよいし(請求項４)、両側管路に共用される連通弁を設けてもよい(請求項５)。
さらに本発明においては、請求項１〜５のいずれかの構成を前提として、上記油圧モータの両側管路間に、一対のリリーフ弁を互いの出口側が接続された状態で対向配置したリリーフ弁回路と、一対のチェック弁を互いの入口側が接続された状態で対向配置したチェック弁回路とを並列に設け、この両回路を連通路で接続するとともに、この連通路に、タンク油をメータイン側に吸い上げるメークアップラインと、上記連通弁の出口側とを接続するのが望ましい(請求項６)。
この構成によれば、連通弁をタンクに接続する管路として既存の連通路及びメークアップラインを利用できるため、連通弁をこれらとは別の専用の外部配管によってタンクに接続する場合と比べて、回路構成が簡単ですむ。
本発明によると、旋回力行時の背圧を低減してポンプ圧を低下させ、動力損失を抑えることができる。
本発明の第１実施形態を示す回路構成図である。 第１実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態を示す回路構成図である。 第２実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。 本発明の第３実施形態を示す回路構成図である。 本発明の第４実施形態を示す回路構成図である。 ショベルの概略側面図である。 従来の回路構成図である。
実施形態は、背景技術の説明に合わせてショベルを適用対象としている。
以下の第１〜第４各実施形態において、図７に示す従来回路と同一部分には同一符号を付して示し、その重複説明を省略する。
第１実施形態(図１，２参照)
両旋回管路１４，１５とタンクＴとの間に左側及び右側両連通弁２５，２６が設けられている。
詳しくは、連通弁２５，２６は、制御手段としてのコントローラ２７からの信号によって開き位置ａと閉じ位置ｂとの間で切換わる電磁切換弁として構成され、入口側が旋回管路１４，１５に、出口側が通路２８を介してリリーフ弁回路１８にそれぞれ接続されている。
ここで、リリーフ弁回路１８は前記のように連通路２２及びメークアップライン２３を介してタンクＴに接続されているため、連通弁２５，２６が開き位置ａにセットされると両旋回管路１４，１５がコントロールバルブ１３を介さずに直接タンクＴに連通する。
また、油圧モータ１１によって回転駆動される旋回電動機２９と、蓄電器３０とが設けられるとともに、センサとして、リモコン弁１２からのパイロット圧を通じてリモコン弁１２の操作(中立か左または右旋回操作されたか)を検出する操作検出手段としての圧力センサ３１，３２と、旋回電動機２９の回転速度(旋回速度)を検出する速度検出手段としての速度センサ３３とが設けられ、これらからの信号がコントローラ２７に入力される。
コントローラ２７は、各センサ３１〜３３からの信号に基づいて旋回力行時(起動時を含む加速時または定常運転時)か、減速時か、停止状態かを判断し、旋回力行時に、連通弁２５，２６のうち操作された側と反対側のもの(右旋回時には左側連通弁２５を、左旋回時には右側連通弁２６．以下、反対側連通弁という)を開き位置ａに切換える。
従って、旋回力行時には、油圧モータ１１から吐出された油は、コントロールバルブ１３を通らずに、一方の連通弁２５または２６を通るルートでタンクＴに直接戻される。
たとえば右旋回時には、図１中に太線書きしかつ実線矢印を付して示すように油圧モータ１１、左旋回管路１４、左側連通弁２５、通路２８、連通路２２、メークアップライン２３のルートでタンクＴに戻る。
この旋回力行中、旋回電動機２９は油圧モータ１１により駆動されて所謂連れ回り回転する。
また、この右旋回からリモコン弁１２が減速操作(中立復帰操作、または中立側に戻し操作)されると、油が、連通路２２からチェック弁回路２１(右側チェック弁２０)を通って右旋回管路１５に戻る破線矢印のルートで循環する。
このとき、旋回電動機２９は、コントローラ２７からの回生指令に基づいて発電機(回生)作用を行い、ブレーキ力を発揮させるとともに、発生した回生電力を蓄電器３０に送ってこれを充電する。
この回生作用により油圧モータ１１にブレーキがかけられ、上部旋回体が減速／停止する。
コントローラ２７の作用を図２のフローチャートに示す。
ステップＳ１で左または右旋回操作されたか否かが判断され、ＮＯ(操作無し)となるステップＳ２で速度センサ３３からの旋回速度信号があるか否かが判断される。
この両ステップでいずれもＮＯの場合、つまり旋回操作されず、速度も出ていない場合は旋回停止状態であるとして、ステップＳ３で両連通弁２５，２６を閉じる。
これに対し、ステップＳ１でＹＥＳ(操作有り)の場合は、旋回力行時であるとしてステップＳ４に移る。
ステップＳ４では、旋回の実速度と、リモコン弁操作量によって決まる目標速度(予めコントローラ２７にたとえばマップとして設定・記憶されている)とを比較し、ＹＥＳ(実速度が目標速度と同じかそれ以下)の場合は、加速中または定常運転中であるとして、ステップＳ５で反対側連通弁を開いてステップＳ１に戻る。
一方、ステップＳ４でＮＯ(旋回実速度が目標速度を超えている)の場合は、リモコン弁１２が中立側に戻し操作されての減速中であるとしてステップＳ６に移り、加速時及び定常運転時と同様に反対側連通弁を開く。
また、ステップＳ２でＮＯ(旋回操作されていないが旋回速度は有る)の場合は、リモコン弁１２が中立復帰操作されての減速中であるとして、やはりステップＳ６で反対側連通弁を開く。
そして、ステップＳ６の後、ステップＳ７において旋回電動機２９に回生ブレーキ作動を行わせることにより、油圧モータ１１にブレーキをかける。
このように、旋回力行時に、油圧モータ１１から吐出された油をコントロールバルブ１３を介さずに連通弁２５，２６によって直接タンクに戻すため、コントロールバルブ１３での絞り作用による背圧を無くすることができる。
これにより、旋回力行時のメータアウト側に作用する背圧を低減してメータイン側の圧力を落とし、ポンプ圧を低下させることができるため、油圧ポンプ１０の動力損失を抑えてエネルギーの無駄を省くことができる。
また、減速時に電動機２９に回生作用を行わせて旋回エネルギーを蓄電器電力として回生できるため、エネルギー効率を上げることができる。
一方、連通弁２５，２６をタンクＴに接続する管路として既存の連通路２２及びメークアップライン２３を利用した構成であるため、連通弁２５，２６をこれらとは別の専用の外部配管によってタンクＴに接続する場合と比べて、回路構成が簡単ですむ。
なお、この第１実施形態は、元々、動力源としての蓄電器を備えたハイブリッド機械に好適であるが、油圧ショベルのような油圧式の旋回式作業機械に対しても旋回電動機２９及び蓄電器３０を追加することで容易に適用することができる。
第２実施形態(図３，４参照)
第１実施形態との相違点のみを説明する。
第２実施形態においては、第１実施形態の電動機２９及び蓄電器３０を用いず、両連通弁２５，２６を旋回力行時にのみ開き位置ａに切換えて背圧を低減する一方、旋回減速時には同弁２５，２６を閉じ位置ｂに戻すことにより、従来同様、リリーフ弁回路１８による所謂中立ブレーキを発揮させるように構成している。
なお、速度センサ３３は、油圧モータ１１の回転速度を検出する。
第２実施形態におけるコントローラ２７の作用を図４のフローチャートによって説明する。
ステップＳ１１で左または右旋回操作されたか否かが判断され、ＮＯ(操作無し)となると、中立復帰操作による減速中または旋回停止中であるとして、ステップＳ１２で両連通弁２５，２６を閉じる。
これに対し、ステップＳ１１でＹＥＳ(操作有り)となると、旋回加速中、定常運転中、中立戻し操作による減速中のいずれかであるとして、ステップＳ１３で旋回の実速度と目標速度とを比較し、ＹＥＳ(実速度が目標速度と同じかそれ以下)の場合は、定常運転中または加速中であるとして、ステップＳ１４で反対側連通弁を開いてステップＳ１１に戻る。
一方、ステップＳ１３でＮＯ(実速度が目標速度を超えている)の場合は、操作無しの場合と同様に減速中であるとしてステップＳ１２で両連通弁２５，２６を閉じる。
この構成によると、旋回電動機を用いない油圧ショベルにおいて、減速操作時に、電動機による回生ブレーキではなく、油圧ブレーキをかけるため、設備が簡単でコストが安くてすむ。
また、連通弁２５，２６とその関連配管を追加するだけでよいため、既存の機械に容易にアドオンできる。
第３実施形態(図５参照)
第３実施形態は第１実施形態の変形形態である。
第１実施形態との相違点のみを説明すると、左右の旋回管路１４，１５に共用される電磁切換式の一つの連通弁３４を用い、この連通弁３４を第１実施形態と同様にコントローラ２７によって閉じ位置(中立位置)ｂと左右の開き位置ａ１，ａ２との間で切換制御する構成をとっている。
連通弁３４以外の作用は第１実施形態と同じである。
第４実施形態(図６参照)
第４実施形態は第２実施形態の構成において、第３実施形態と同様に両旋回管路１４，１５に共用される一つの連通弁３４を用いている。
この連通弁３４以外の構成、作用は第２実施形態と同じである。
なお、図６には、連通弁３４の出口側を、通路２８から分岐させた専用のタンク接続ライン３６によってタンクＴに接続した場合を例示しているが、第１〜第３各実施形態と同様に連通路２２に接続してもよい。
これら第３、第４両実施形態によると、管路別に連通弁２５，２６を設ける第１、第２両実施形態と比較して連通弁３４，３５がコンパクトとなり、その組み込みが簡単となる。
他の実施形態
(１) 上記実施形態では、旋回力行時には、起動時を含む加速時か定常運転時かを問わず反対側連通弁を開く構成をとったが、起動を含む加速時と定常運転時とをリモコン弁１２の操作等によって区別し、いずれか一方のみについて反対側連通弁を開く構成をとってもよい。
(２) 連通弁２５，２６を、リモコン弁１２のパイロット圧によって作動する油圧パイロット切換弁として構成し、コントローラ２７を設けずに、リモコン弁１２のパイロット圧のみで連通弁２５，２６を制御する(旋回力行時に開く)構成をとってもよい。
この場合、減速時のブレーキは、メカニカルブレーキを設ける等、他の手段をとればよい。
(３) 本発明はショベルに限らず、ショベルを母体として構成される解体機や破砕機等の他の旋回式作業機械にも上記同様に適用することができる。
１ 下部走行体
２ 上部旋回体
１０ 油圧ポンプ
１１ 油圧モータ
１２ 旋回操作手段としてのリモコン弁
１３ コントロールバルブ
１４ 左旋回管路
１５ 右旋回管路
Ｔ タンク
１６，１７ リリーフ弁
１８ リリーフ弁回路
１９，２０ チェック弁
２１ チェック弁回路
２２ 連通路
２３ メークアップライン
２５，２６ 連通弁
２７ 制御手段としてのコントローラ
２８ 通路
２９ 旋回電動機
３０ 蓄電器
３１，３２ 操作検出手段としての圧力センサ
３３ 速度検出手段としての速度センサ
３４ 連通弁

Claims (6)

  1. 下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体の旋回駆動源としての油圧モータと、この油圧モータの圧油供給源としての油圧ポンプと、旋回の加速、定常運転、減速、停止を指令する旋回操作手段と、この旋回操作手段の操作に基づいて上記油圧モータに対する圧油の給排を制御するコントロールバルブとを備えた旋回式作業機械において、上記油圧モータの両側管路とタンクとの間に連通弁を設け、旋回力行時に上記油圧モータの吐出側管路を、上記コントロールバルブを介さずに上記連通弁によって直接タンクに連通させるように構成したことを特徴とする旋回式作業機械。
  2. 上記油圧モータにより回転駆動される旋回電動機と、蓄電器と、上記旋回操作手段の操作を検出する操作検出手段と、上部旋回体の旋回速度を検出する速度検出手段と、上記連通弁を制御する制御手段とを設け、この制御手段は、上記操作、速度両検出手段の検出信号に基づいて減速時か否かを判断し、減速時に上記連通弁によるモータ吐出側管路とタンクの連通を維持したまま上記旋回電動機に発電機作用を行わせてブレーキ力を発揮させ、その回生電力を上記蓄電器に充電させるように構成したことを特徴とする請求項１記載の旋回式作業機械。
  3. 上記油圧モータの両側管路にリリーフ弁を接続するとともに、上記旋回操作手段の操作を検出する操作検出手段と、上部旋回体の旋回速度を検出する速度検出手段と、上記連通弁を制御する制御手段とを設け、この制御手段は、上記操作、速度両検出手段の検出信号に基づいて減速時か否かを判断し、減速時に上記連通弁を閉じ、上記リリーフ弁によって油圧モータにブレーキをかけるように構成したことを特徴とする請求項１記載の旋回式作業機械。
  4. 上記油圧モータの両側管路とタンクとの間に、管路別に連通弁を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の旋回式作業機械。
  5. 上記油圧モータの両側管路とタンクとの間に、両側管路に共用される連通弁を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の旋回式作業機械。
  6. 上記油圧モータの両側管路間に、一対のリリーフ弁を互いの出口側が接続された状態で対向配置したリリーフ弁回路と、一対のチェック弁を互いの入口側が接続された状態で対向配置したチェック弁回路とを並列に設け、この両回路を連通路で接続するとともに、この連通路に、タンク油をメータイン側に吸い上げるメークアップラインと、上記連通弁の出口側とを接続したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の旋回式作業機械。
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